北京大學(xué)GaN課件2

1、什么是Anderson 定則？異質(zhì)結(jié)能帶有幾種突變形式？尖峰的位置與摻雜濃度的關(guān)系是什么？同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)的電勢分布有何異同？同型異質(zhì)結(jié)有哪些特點。3.1節(jié)（3.1.1）能帶圖（3.1.2）突變反型異質(zhì)結(jié)的接觸電勢差及勢壘區(qū)寬度（3.1.3）突變同型異質(zhì)結(jié)（3.1.4）幾種異質(zhì)結(jié)的能帶圖（3.1.5) 尖峰的位置與摻雜濃度的關(guān)系第三章第三章 異質(zhì)結(jié)異質(zhì)結(jié)的能帶圖的能帶圖異質(zhì)結(jié)界面兩側(cè)的導(dǎo)帶極小值和價帶最高值隨坐標(biāo)的變化。異質(zhì)結(jié)界面兩側(cè)的導(dǎo)帶極小值和價帶最高值隨坐標(biāo)的變化。（3.1.1）能帶圖Sapphiren-GaNp-GaN電子或空穴的勢阱和勢壘電子或空穴的勢阱和勢壘e電場下：電子空穴實際上是

2、缺少價電子同質(zhì)結(jié)的情況同質(zhì)結(jié)的情況e(a)As+xAs+As+As+As+EcEdCBEv0.05 eVAs atom sites every 106 Si atomsDistance intocrystal(b)Electron Energy(a) The four valence electrons of Asallow it to bond just like Si but the fifthelectron is left orbiting the As site. Theenergy required to release to free fifth-electron into th

3、e CB is very small.(b) Energy band diagram for an n-type Si dopedwith 1 ppm As. There are donor energy levels justbelow Ec around As+ sites. 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)Bh+(a)xBEvEaB atom sites every 106 Si atomsDistanceinto crystal0.05 eVBBBh+VBEcElectron energy(b)(a) Boron dope

4、d Si crystal. B has only three valence electrons. When itsubstitutes for a Si atom one of its bonds has an electron missing and therefore ahole. (b) Energy band diagram for a p-type Si doped with 1 ppm B. There areacceptor energy levels just above Ev around B sites. These acceptor levels acceptelect

5、rons from the VB and therefore create holes in the VB. 1999 S.O. Kasap, Optoelectronics (Prentice Hall)擴(kuò)散漂移統(tǒng)一費米能級內(nèi)建場空間電荷區(qū)能帶彎曲正向偏置反向偏置c真空能級導(dǎo)帶底Let x be the electron affinity, which is the energy required to take an electron from the conduction band edge to the vacuum level,電子親和勢c：電子由導(dǎo)帶底躍遷到真空能級所需的能量，c=

6、E0-Eclet f be the work function, which is the energy diffcrcnce between the vacuum level and the Fermi level.功函數(shù)：電子由費米能級至自由空間所需的能量，=E0-FEvEfEc不考慮界面態(tài)時的能帶結(jié)構(gòu)不考慮界面態(tài)時的能帶結(jié)構(gòu)(一）能帶圖一）能帶圖由電子親和能、禁帶寬度、導(dǎo)電類型、摻雜濃度決定由電子親和能、禁帶寬度、導(dǎo)電類型、摻雜濃度決定A 突變反型突變反型x1x2DEDEcDEDEvEFEvECEFEg1Eg2 1 2未組成異質(zhì)結(jié)前的能帶圖未組成異質(zhì)結(jié)前的能帶圖Consider firs

7、t a p-type narrow-gap semiconductor, such as GaAs, in contact with an N-type wide-band-gap semiconductor, such as Al ,GaAlAs.安德森(Anderson)能帶模型 假定：1，在異質(zhì)結(jié)界面處不存在界面態(tài)和偶極態(tài)；2，異質(zhì)結(jié)界面兩邊的空間電荷層（或耗盡層中)，空間電荷的符號相反、大小相等；3，異質(zhì)結(jié)界面兩邊的介電常數(shù)分別為1和2, 12,界面處的電場不連續(xù)： 1E1=2E2 E1 E2。)2 . 3(EE) 1 . 3(EE2c2F21v1F1.3)31221（ffDDDEEq

8、VqVqVx1x2DEDEcDEDEvEAEF1EvECEF2EDEg1Eg2 1 21 1異質(zhì)結(jié)的帶隙差等于導(dǎo)帶異質(zhì)結(jié)的帶隙差等于導(dǎo)帶差同價帶差之和。差同價帶差之和。2 2導(dǎo)帶差是兩種材料的電子導(dǎo)帶差是兩種材料的電子親和勢之差。親和勢之差。 2 2而價帶差等于帶隙差減去而價帶差等于帶隙差減去導(dǎo)帶差。導(dǎo)帶差。 There is nonsymmetry in DEC and DEv values that will tend to make the potential barriers seen by electrons and holes different.This nonsymmetry

9、does not occur in homejunctionEg1eVDECEg2ECEFEg2Eg1接觸前接觸前接觸后接觸后 當(dāng)兩種單晶材料組成在一起構(gòu)成異質(zhì)結(jié)后，它們處于平衡態(tài)，費米能級應(yīng)當(dāng)相同。當(dāng)兩種單晶材料組成在一起構(gòu)成異質(zhì)結(jié)后，它們處于平衡態(tài)，費米能級應(yīng)當(dāng)相同。 為了維持各自原有的功函數(shù)為了維持各自原有的功函數(shù) 和電子親和勢和電子親和勢c c不變，就會形成空間電荷區(qū)，在結(jié)的兩旁出現(xiàn)不變，就會形成空間電荷區(qū)，在結(jié)的兩旁出現(xiàn)靜電勢，相應(yīng)的勢壘高度為靜電勢，相應(yīng)的勢壘高度為eVDeVD，e e為電子電荷，為電子電荷，VDVD為接觸電勢。為接觸電勢。 它等于兩種材料的費米能級差：它等于兩種材

10、料的費米能級差：eVDeVD=F2-F1=F2-F1ECEFEg2Eg11 能帶發(fā)生了彎曲：能帶發(fā)生了彎曲：n型半導(dǎo)體的導(dǎo)帶和價帶的彎曲量為型半導(dǎo)體的導(dǎo)帶和價帶的彎曲量為qVD2, 界面處形成尖峰界面處形成尖峰. p型半導(dǎo)體的導(dǎo)帶和價帶的彎曲量為型半導(dǎo)體的導(dǎo)帶和價帶的彎曲量為qVD1, 界面處形成凹口界面處形成凹口(能谷）。能谷）。2 能帶在界面處不連續(xù)，有突變。能帶在界面處不連續(xù)，有突變。 Ec , EvDEDEc=0.07eVDEDEv=0.69eVDEDEc+ DEDEv= =0.76eVInGaAsGaAsSbInAsGaSbEC1Ev1EC2Ev2EC1Ev1EC2Ev2EC1Ev1

11、EC2Ev2(a)Straddling跨立型(b) Staggered錯開型(c) Broken gap破隙型AlGaAsGaAs典型的能帶突變形式p16AlGaAsGaAsInGaAsGaAsSb電子和空穴在空間分離。InAsGaSb電子從一種半導(dǎo)體大量流入到另一種半導(dǎo)體，使一種半導(dǎo)體存在大量電子，而另一種存在大量空穴。使它們具有導(dǎo)電能力，具有半金屬性質(zhì)。電子和空穴在同一區(qū)域利用分子束外延生長高質(zhì)量GaAs基GaSb體材料和InAs/GaSb超晶格材料技術(shù)，為下一步制造價格便宜、性能可靠的N-GaAs/P-GaSb熱光伏電池、新一代焦平面多色紅外探測器件等提供了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。 可以產(chǎn)生熱電

12、子可以產(chǎn)生熱電子能帶突變的應(yīng)用能使電子發(fā)生能使電子發(fā)生反射的的勢壘反射的的勢壘提供一定厚度提供一定厚度和高度的勢壘和高度的勢壘能造成一定能造成一定深度和寬度深度和寬度的勢阱。的勢阱。一 工藝過程生長方法, 界面態(tài)能帶彎曲二 異質(zhì)結(jié)晶面的取向極性半導(dǎo)體,組成半導(dǎo)體的兩種原子具有不同的負(fù)電性 例如,GAAs, 半導(dǎo)體中Ga和As對電子的束縛能力不同,當(dāng)組成晶體時,電子更多地偏向As原子一方.(110) : 電中性(111) 極性- 偶極距三 組成異質(zhì)結(jié)的半導(dǎo)體特性偶極距應(yīng)變影響能帶突變的因素3.1.2突變反型異質(zhì)結(jié)的接觸電勢差勢壘區(qū)寬度突變反型異質(zhì)結(jié)的接觸電勢差勢壘區(qū)寬度)6 . 3()()(xd

13、xxdD)7 . 3()(ExD)8 . 3(dxdVE)()()(xdxdVdxddxdEdxxdD泊松方程9 . 3)(22xdxdV)10. 3()(,)(,22201101DAqNxxxxqNxxxx勢壘區(qū)中的電荷密度分布where again NA1 is the net acceptor concentration in the p side, and ND2 is the net donor concentration on the N side.施主密度施主密度受主密度受主密度控制方法：控制方法：摻雜類型摻雜類型補(bǔ)償機(jī)制補(bǔ)償機(jī)制激活方法激活方法質(zhì)量影響質(zhì)量影響)11. 3()2

14、00122221122xxxxxxDAqNdxdVqNdxdV（突變反型異質(zhì)結(jié)的泊松方程與同質(zhì)結(jié)的區(qū)別？與同質(zhì)結(jié)的區(qū)別？where &p and &N are the permittivity in the p and N regions,)8 . 3(dxdVE邊界條件:0,0,2211ExxExxpnx1x2x0)12. 3 ()()(202220111121xxxxxExxxxxEDAqNqN（線性，在交界處不連續(xù)線性，在交界處不連續(xù)x EF1, EF2EF1, 電子從寬帶電子從寬帶流入窄帶流入窄帶必有一邊為積累區(qū)必有一邊為積累區(qū)（3.1.3）突變同型異質(zhì)結(jié)）突變同型異質(zhì)結(jié)積累積累耗盡耗盡同型同型異質(zhì)結(jié)的空間電荷區(qū)異質(zhì)結(jié)的空間電荷區(qū)特點：一邊為耗盡層，一邊為積累特點：一邊為耗盡層，一邊為積累 層層分析方法：仍為求解泊松方程分析方法：仍為求解泊松方程1111